滴水穿石与“空泡”_趣味物理-查字典物理网

为什么滴水能够穿石?一种常见的说法是，由于水滴不断冲击，每次冲击石块均产生极微小的损伤，久而久之，便可穿石了。一滴水为什么能使石头产生微小的损伤呢?假设我们将水滴换成乒乓球，让乒乓球一个接一个不断地落在石头上，能否“穿石”呢?答案是否定的。虽然木制的乒乓球台坚硬程度比石头差，但是一张乒乓球台无论使用多少年，从未发生过中间部分的磨损比边缘部分严重的现象，而乒乓球的撞击力比水滴大多了。可见“石穿”不仅仅是靠“水滴”的冲击。那么，究竟是什么作用力造成了“滴水穿石”这一妇孺皆知的现象呢?科学家用每秒钟拍摄1 500张照片的高速摄影机拍摄了水滴落到石头上的全过程，解开了水滴石穿之谜。

原来，水滴落到石头上时，水滴首先被碰扁，然后向四周散落开来，就在水滴“落地”与“散开”这一瞬间，在水滴和石头间形成了无数细小的气泡，由于水的表面张力作用，这些气泡的表面积都要尽可能收缩到最小。气泡收缩时压缩气泡内部的空气，使气泡内的空气有较大的压强，气泡半径越小，气泡内的气体压强就越大。当这些半径很小的气泡破裂时，内部的高压气体冲击石头，造成了石头的微小损伤，从而日积月累，终于“穿石”了。

物理学上把这一现象称为气蚀，又称“空泡”。当20世纪的第一批远洋巨轮下水试航时，人们发现仅仅过了12个小时，螺旋桨的作用就失效了，整个螺旋桨千疮百孔。工程师们仔细查找“肇事者”，但在很长时间内都未能破案。后来在科学家们的帮助下，经过多年的观察和研究，才证实了这是由于气蚀现象造成的。破坏螺旋桨的“罪犯”就是螺旋桨高速旋转时产生的气泡。由于螺旋桨转速较快，对水的冲击力很大，因而在螺旋桨周围就形成了一大片气泡云，这些气泡微小到肉眼难以辨别的程度。半径非常小的水泡内的空气压强极大，当水泡破裂时产生的压强可达几千个大气压。无数个小气泡不断破裂，在高压气的连续冲击下，轻则会降低螺旋桨的推进效率，重则使金属构件受到破坏而使螺旋桨失效。

科学家们想出种种办法与气蚀现象作斗争，如改进金属材料的性质，使之不怕“气蚀”，给螺旋桨涂上一层化学保护层以减少气泡的产生和侵蚀，等等。科学家们还因势利导，使小气泡发展为所谓的“超空泡”，从而大大降低了气蚀作用。

什么是“超空泡”呢?当物体在水中的运动速度超过50 m/s时，钝头航行器或安装在头部的气体注入系统就可能产生低密度气穴，这种密度很低的气泡称为“超空泡”。“空泡”长度与物体的运动速度有关，物体能够在自己产生的长气泡内部以最小的阻力飞速前进。

超空泡的发现使舰船设计师们大受鼓舞。他们设计了超空泡螺旋桨，使螺旋桨叶片表面完全被气化了的水分子所覆盖，推进效率就不会降低，对螺旋桨叶片的剥蚀也不会发生。俄罗斯在20世纪90年代研制成功的“暴风雪”鱼雷，是一种潜载高速鱼雷，速度可达500 km/h。它在水中运动时，空气从头部排出，雷体表面被气泡所覆盖，呈超空泡状态，所以阻力极小，运行速度极快。美国海军水下作战中心曾试验出一种水下超空泡子弹，它的头部扁平，是一种无动力射弹，由水下机枪发射，初速度高达1 500 m/s，远远超过了声速。

目前，舰船设计师们又产生了利用超空泡建造超空泡舰船的设想。所谓超空泡舰船就是让整个舰体浸水表面被气泡所覆盖，舰体不是浸没在水里，而是浸没在超空泡里，这样就成了超空泡舰船。超空泡舰船受到的水的阻力较小，可大大提高其航速。美国圣巴巴拉加州大学海洋工程实验室的一位研究人员提出了超空泡水翼船的设想，使水翼船的水翼处在超空泡状态，即让水翼的表面为气体所覆盖，这样水翼的摩擦阻力大大减小，超空泡水翼船的速度可在现有基础上提高一倍。

最引人注目的是建造超空泡潜艇的设想。所谓超空泡潜艇，是让潜艇的整个艇体为气泡所覆盖，潜艇艇体不是浸没在水中。这样，潜艇所受的摩擦阻力消失了，阻力大大降低，航速加快。

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